Когда вы планируете конфигурацию новой виртуальной машины, один из вопросов, на которые вам нужно ответить — «какой тип диска выбрать?». И тут может возникнуть путаница из-за обилия терминов — SATA, SAS, HDD, SSD, M.2, NVMe.
В этом тексте мы подробно рассмотрим каждый из этих терминов, относящихся к накопителям, чтобы раз и навсегда разобраться в их значениях.
HDD и SSD
Накопители данных можно разделить на две категории: жесткий диск (Hard Disk Drive, HDD) и твердотельный накопитель (Solid State Drive, SSD). Сейчас твердотельный накопитель это мастхев для любых ПК, в том числе и серверных, но иногда используют и HDD.
Основа жесткого диска — магнитная пластина, изготовленных из алюминия или стекла. Над пластиной перемещается головка чтения\записи — таким образом записывается или считывается информация. Современные диски используют разные технологии магнитной записи: продольная, перпендикулярная или черепичная. Они недорого стоят и имеют большой объем, но относительно медленные и шумные. А еще их достаточно просто повредить.
В SSD нет движущихся деталей, поэтому они бесшумны, а скорость чтения в разы быстрее. За хранение отвечают микросхемы памяти. Но, конечно, за высокую скорость приходится платить большей стоимостью.
Основные составляющие твердотельного накопителя:
-
Печатная плата (PCB) — на ней размещаются все другие компоненты
-
NAND-flash — флэш-память для хранения данных
-
NAND-controller — управляет работой накопителя, обеспечивает связь с системой и отвечает за производительность SSD
-
DRAM (кэш) — небольшой объем оперативной памяти для временного хранения данных и ускорения доступа к файлам
-
Host Interface — отвечает за соединение с системой, объединяет в себе тип соединения и используемый протокол
Теперь можно как раз перейти к интерфейсам, которых на данный момент существует три вида — SATA, SAS и NVMe.
SATA и SAS
Итак, интерфейс подключения определяет принцип передачи информации между накопителем и системой. Под этим термином подразумевается как физический разъем, так и протокол передачи данных.
Первыми интерфейсами были IDE и SCSI. Это устаревшие форматы, которые уже не используются и не совместимы с актуальными технологиями. Но они стали прототипами для современных интерфейсов — SATA и SAS.
Интерфейс SATA стал логическим развитием технологии IDE. Он разрабатывался в первую очередь для стационарных компьютеров и чаще используется именно в них, иногда — в серверах с небольшой вычислительной мощностью. SATA остается единственным интерфейсом, подходящим для подключения HDD.
У SATA есть три поколения, каждое из которых имеет свою максимальную скорость передачи данных. Первые два поколения, которые уже устарели, имели ограничение до 150 МБ/с и 300 МБ/с соответственно. Актуальным является третье поколение с максимальной скоростью 600 МБ/с. Важно учитывать, что HDD не способен работать так быстро. Третье поколение разрабатывалось в первую очередь для твердотельных накопителей.
Интерфейс SAS создавался специально для высокопроизводительных систем на базе технологии SCSI (Small Computer System Interface). Он используется только в серверах. В материнских платах домашних ПК SAS-контроллер просто не предусмотрен — их мощность просто избыточна для домашнего использования. Существует уже четыре поколения SAS, которые заметно мощнее SATA — 300, 600, 1200 и 2250 МБ/с соответственно.
Постепенно с развитием SSD становилось понятно, что SAS и SATA ограничивают потенциал твердотельных накопителей. Тогда началась разработка нового интерфейса — NVMe.
PCIe, NVMe и NAND
Чтобы повысить пропускную способность и производительность твердотельного накопителя, нужно было совместить твердотельный накопитель с шиной PCIe. Это разъем на материнской плате, который обеспечивает «прямой доступ» устройства к центральному процессору. Сейчас это наиболее широко используемая технология межсоединений для высокоскоростной передачи данных.
До NVMe производительность SSD пытались увеличить с помощью специальных методов и архитектурных решений. Но все подходы оказались неэффективными и требовали дополнительной проработки. В результате с нуля был создан новый логический интерфейс. Теперь, с популяризацией NVMe, стало возможным использовать PCIe без специальных драйверов и прочих лишних «приемов».
Прототип будущего интерфейса назывался NVMHCI — «Спецификация интерфейса хост-контроллера энергонезависимой памяти». Энергонезависимая память в твердотельном накопителе, как мы уже говорили, это NAND. У нее есть несколько разновидностей, но наиболее распространенной можно назвать 3D NAND с многослойной структурой размещения ячеек памяти. 3D NAND, в свою очередь, существует в четырех типах:
-
SLC. По названию Single-Level Cell становится понятно, что в каждой ячейке находится только один бит. Считается наиболее долговечным, поэтому широко используется в серверных накопителях.
-
MLC. Multi-Level Cell хранит в каждой ячейке по два бита информации. Доступнее по цене, чем SLC, но уступает в надежности.
-
TLC. Triple-Level Cell с хранением трех битов в каждой ячейке — наиболее популярный среди потребительских устройств тип благодаря отличному сочетанию стоимости и производительности
-
QLC. Самый дешевый и наименее надежный тип Quad-Level Cell, хранит по четыре бита в ячейке.
Стоит отметить что уже разрабатывается и пятый тип — PLC, Penta-Level Cell с пятью битами информации на ячейку.
В чем же разница между этими чипами памяти? Во-первых, это надежность. При записи ячейки постепенно разрушаются и у каждого типа чипов есть свой ресурс, выраженный циклах перезаписи до отказа. Во-вторых, это безусловно цена. При одинаковом объеме физического носителя SSD с чипом QLC будет иметь больше объема информации, чем MLC. За счет этого и происходит удешевление. В-третьих, это скорость. Это связано как с увеличением объема кристаллов, так и с более сложной процедурой обработки хранимых в ячейках данных. У QLC самая медленная память, которая маскируется с помощью быстрого кэша.
Особенность 3D NAND заключается в использовании вертикальных структур (столбиков) из полупроводникового кристалла. Они позволяют на меньшей площади разместить больше ячеек и увеличить плотность хранения. В результате серьезно повышается скорость записи и чтения. На данный момент количество слоев может достигать 96, но в будущем это число еще может увеличиться.
Каждый SSD накопитель содержит NAND-контроллер, который соединяет компоненты NAND с остальной системой. Контроллер можно назвать вторым по важности компонентом твердотельного накопителя, ведь он следит за тем, чтобы чипы памяти проработали максимально долго. Для этого он использует целый ряд алгоритмов. Кроме этого, от типа контроллера зависит скорость работы накопителя. Если детальнее — все упирается в количество каналов параллельного подключения между контроллером и чипами памяти. Чем их больше, тем быстрее.
Алгоритмы контроллеров улучшаются, идет постоянная оптимизация, внедрение более эффективных методов цифровой обработки сигналов и коррекции ошибок чтения.
M.2, U.2, mSATA и 2.5”
Отсутствие подвижных элементов в SSD «развязало руки» производителям — они смогли создавать разные форм-факторы накопителя под разные задачи. Можно выделить четыре самых популярных форм-фактора.
2.5”
Самый первый форм-фактор SSD, который похож на классические HDD. Подключение осуществляется через интерфейс SATA, поэтому их использование похоже на работу с обычным жестким диском. Поэтому, если стоит цель заменить жесткий диск на твердотельный накопитель, можно просто поставить SSD 2,5’’.
U.2
Похожи на предыдущий формат, но толще. Кроме этого, они используют другой коннектор и используют PCIe для передачи данных. Преимущественно используются в корпоративном секторе.
mSATA
Модификация стандартного SSD-SATA. Меньше оригинала, но использует только SATA-интерфейс, чем отличается от M.2. Используется в системах с ограниченным свободным пространством.
M.2
Компактный форм-фактор в виде пластины для портативных ПК и ноутбуков. Такие накопители бывают разной длины, которая зависит от количества чипов флеш-памяти, а следовательно и общей вместимости. Кроме этого, они существуют в формате M.2 SATA и NVMe M.2. Из названия становится понятно, что разница у них в используемом интерфейсе. NVMe M.2 использует шину PCIe, а следовательно отличается большей пропускной способностью.
Что в итоге
Итак, разложим по полочкам теперь все понятия, которые мы разобрали выше.
Накопители можно поделить на жесткий диск (HDD) и твердотельный накопитель (SSD). Актуальных интерфейсов подключения (вариантов соединения накопителя и платы) три — SATA, SAS и NVMe. Последний — наиболее популярный способ подключения, который позволяет добиться максимально возможной производительности от накопителя. Кстати, уже существуют и жесткие диски с поддержкой NVMe 2.0, но пока что они встречаются крайне редко. Интерфейсы NVMe и SATA используются как в пользовательских устройствах, так и для корпоративных задач, тогда как SAS можно встретить только в серверах.
Для поддержки быстрой передачи данных интерфейс NVMe использует шину PCIe — разъем, обеспечивающий прямой доступ к центральному процессору. Кроме этого, для хранения данных в NVMe используется флэш-память NAND.
Самые популярные форм-факторы SSD — M.2 (тонкая пластинка) и 2,5’’ (та же пластинка, но спрятанная в корпусе). Кроме них существуют еще mSATA и U.2.
Это все основные понятия, которые нужны для того, чтобы разбираться в разновидностях накопителей. Теперь у вас не возникнет проблем при выборе диска, когда вы будете создавать виртуальный сервер в панели управления 1cloud.
